-
Automation # 2:201418
Sensorteknik
Sammanfattatxx
Mätsystemet Alis (Auroral Large Imaging System) sam-lar in optiska data om norr-skenet.xx
Studier av norrsken är vik-tiga. Det ger oss kunskap om vad som händer i jordens närmaste omgivning och hjälper oss att förutspå sol-stormar som skadar teknik.xx
Incidenter med utbrända transformatorstationer och långvariga strömavbrott över stora områden har inträffat.
Fotosensorer avbildar norrsken,jordens eget fönster mot
rymdenNorrskensforskningen hjälper oss att förutspå solstormar som
skadar teknik
Urban Brändström från Institutet för rymd-fysik, irf, i Kiruna
är optisk norrskensfors-kare. Han har varit med och byggt upp
mät-systemet Alis (Auroral Large Imaging Sys-tem)med vars hjälp han
samlar in optiska data om norrskenet.
Fotobaserade mätstationerMätsystemet är uppbyggt kring sex
mätsta-tioner med kameror som fotograferar norr-sken med
överlappande synfält från olika platser på en och samma gång. På
detta sätt kan man få tredimensionella bilder genom att använda sig
av tomografiliknande analysme-toder.
Studier av fenomenet norrsken är viktiga.
Norrsken kan betraktas som vårt fönster mot osynliga processer i
den nära rymden. Det ger oss viktig kunskap om vad som händer i
jordens närmaste omgivning.
Komplicerade processerNorrskenet uppstår när solvinden
växelver-kar med jordens magnetosfär i komplicerade
plasmaprocesser.
Urban Brändströms arbete är huvudsakli-gen grundforskning, som
sett ur ett större perspektiv ger oss nya kunskaper om plasma-fysik
och rymdväder. Och rymdvädret i sin tur hänger tätt ihop med solens
aktiviteter och de soleruptioner som leder till störningar i
jordens magnetfält.
FOTO
N: D
AGM
AR
ZIT
KOVA
Norrskensforskaren Urban Brändström visar hur solaktiviteten
orsakar norrsken och olika typer av störningar i magnetosfä-ren,
jonosfären och på jorden vilket i sin tur kan påverka olika
tekniska system.
-
Automation # 2:2014 19
På irf-institutets tak finns flera kupoler ge-nom vilka ett
antal kameror tittar ut för att fotografera Norrsken. Under den
stora ku-polen finns emccd-kamera med smalbandiga filter som kan ta
upp till 100 bilder i sekun-den av norrskensemissioner. Under den
lilla kupolen finns firmamentkameran. I Kiruna tar den en bild av
hela himlen varje minut då det är mörkt ute.
Två av de högkänsliga kame-rorna med ccd-sensorn som monteras i
mätstationernas ku-poler. Mätdata kan både tas ut som vanliga
fotobilder och som numeriska data för bearbetning och
sammanställning.
Dagens högteknologiska samhälle blir allt känsligare för dessa
störningar, därför behö-ver man veta allt mer om rymdvädret. Man
vill kunna förstå hur störningarna uppstår och man vill framför
allt kunna förutsäga när de ska inträffa.
Orsakar strömavbrottDet har redan inträffat allvarliga
incidenter med till exempel utbrända transformatorsta-tioner och
långvariga strömavbrott över stora områden som följd. Det är mest
kraftled-ningsnätet som kan påverkas, men även gps-utrustning och
liknande.
– Strålningsutbrott på solen kan störa våra
radiokommunikationer. Högenergetiska par-
tiklar kan slå ut eller till och med förstöra sa-telliter.
Störningar i jordens magnetfält leder till geomagnetiskt inducerade
strömmar som hotar vår elförsörjning och kan även orsaka bränder i
oljeledningar, säger Urban Bränd-ström.
Sårbar utrustningSårbar utrustning finns i allt fler kritiska
tek-niksystem. Ett av många exempel på allvar-liga störningar och
haverier som tidigare inträffat är den så kallade
Halloween-stor-men, en intensiv rymdstorm som inträffade i slutet
av oktober 2003 då norrsken obser-verades ända ner i Tyskland.
Ungefär samti-digt blev 50 000 hushåll i Malmö utan el
-
Automation # 2:201420
Sensorteknik
FOTO
N: D
AGM
AR
ZIT
KOVA
En Alis-station utanför Kiruna. Det är viktigt att det är
tillräckligt varmt i ku-polerna för att snön snabbt ska tina bort
från dem.
vilket orsakades av detta utbrott. Institutet för rymdfysik har
därför fått fi-
nansiering från bland annat Myndigheten för samhällsskydd och
beredskap för forskning som syftar till att förbättra de svenska
var-ningssystemen för solstormar.
Obemannade mätstationer – Alis består av sex obemannade
mätstatio-ner placerade med ungefär 50 km mellan-rum. Varje station
är försedd med en mycket ljuskänslig vetenskaplig kamera (ccd eller
emccd) som är monterad i ett positione-ringssystem så att den kan
riktas mot valfri punkt på himlen, förklarar Urban Bränd-ström.
– Ett filterhjul med sex positioner för smalbandiga
interferensfilter gör att man kan sortera fram specifika våglängder
(färger) i norrskenets spektra. Öppningsvinkeln på ka-merorna är
cirka 60-90 grader och meningen
är att synfälten från de olika stationerna skall överlappa. Då
kan norrskenets höjdfördel-ning rekonstrueras med tomografiliknande
metoder, säger Urban Brändström.
Med hjälp av kamerapositioneringssystem kan kamerorna riktas så
att de avbildar bara en önskad del av himlen. Stationerna kan vid
behov utrustas även med andra vetenskapliga instrument, till
exempel med pulsationsmag-netometrar.
Det är bland annat norrskenets färger som kan ge information om
bland annat energin hos de infallande partiklarna. Norrskenets
höjdfördelning och olika strukturer bidrar också med relevant
information för förståel-sen av plasmaprocesser i den nära
rymdmil-jön.
Jorden omges av atmosfären som är ett tunt gashölje. I rymden
utanför den rör sig snabba, laddade partiklar, främst elektroner
och protoner. Det är ur dessa norrsken upp-kommer. Några av dem
hamnar i atmosfären och krockar med dess atomer och molekyler. Vid
dessa krockar bildas ljus, norrsken.
Styrs mot polernaPartiklarna som skapar norrsken kommer från den
del av övre atmosfären som kallas jonosfären. Partiklarna har fått
en enorm
Kameran är monterad i ett fjärrstyrt positioneringssys-tem
omedelbart under kupo-len. Alis fjärrstyrs över Inter-net och kan
till och med kö-ras från en mobiltelefon.
Norrskensbilder och realtids-data från Alis kan laddas ned gratis. Kameran finns på denna adress:
www.irf.se//Observatory/?link=All-sky_sp_camera
-
Annonssida
-
Automation # 2:201422
Sensorteknik
Lars-Göran Vanhainen är platschef för Eiscat-radarn i Kiruna.
Här tas data från Eiscat-radarn emot, lagras och bearbetas.
Rackarna innehåller utrust-ning för att ta emot den mycket svaga
radarsignalen, digitalisera och lagra den samt för att styra och
övervaka antennen.
hastighet med hjälp av energi från solvinden. Partiklarna fångas
in av jordens magnetfält och styrs mot jordens poler.
När en partikel har nått atmosfären krock-ar den med någon av de
många atomer som finns där och tar över lite av den energi som fått
partikeln att röra sig. Partikeln fortsätter att röra sig, men nu
lite långsammare efter-som den blivit av med lite energi. Snart
krockar den med en ny atom.
Atomen som tagit över energin från parti-keln från rymden har nu
lite för mycket en-ergi, därför släpper den iväg energin i form av
en foton (ljuspartikel). Nästa atom som krockar med partikeln tar
också åt sig en del av rörelseenergin och bromsar partikeln
yt-terligare. Även den nya atomen släpper ifrån sig energin i form
av ljus. Partikeln rör sig längre ner genom atmosfären där atomerna
ligger allt tätare, därför krockar partikeln allt oftare.
Vid krockar bildas ljusVid varje krock bildas nytt ljus. Genom
ett antal krockar har partikeln förlorat så myck-
-
Automation # 2:2014 23
et av sin rörelseenergi att den har tappat all fart och står
helt still. Detta brukar ske unge-fär 100 kilometer ovanför jordens
yta. Många krockande partiklar skapar det synliga ljuset som kallas
norrsken. Även andra planeter i vårt solsystem har polarsken, men
då måste ett antal villkor vara uppfyllda.
Planeten måste ha en atmosfär på vilken polarsken projiceras.
Det är atmosfärens molekyler som gör att partiklarna har något att
krocka med. För det andra måste det fin-nas laddade partiklar, det
vill säga plasma. Och det tredje villkoret är att det finns ett
magnetiskt fält som styr plasmapartiklarna mot planeten, annars
skulle de försvinna ut i rymden.
EnergikällaDessutom behöver partiklarna en energi-källa. Ljuset
frigörs vid krockarna. Och för att de laddade partiklarna ska hamna
vid planeten, krävs det en solvind. Solvinden ser till att solens
energi hamnar hos partiklarna och färdas mot planeten.
En del av forskningen kring inflödet av All mjukvara bygger på
öppen källkod i Linuxmiljö som ger mycket hög tillförlitlighet och
få driftstörningar.
FOTO
N: D
AGM
AR
ZIT
KOVA
-
Automation # 2:201424
Sensorteknik
Aktivt norrsken över Kiruna den 19 oktober 2012, 40 minuter över
klockan 21. Bilden är tagen med frimamentkameran i Kiruna. Kameran
tar en bild av hela himlavalvet per minut under dygnets mörka
timmar. Norr är uppåt och öster till vänster.
Norrsken Norrskenet uppstår
när solvinden växelverkar med jordens magnetosfär, vilket medför att partiklar, främst elektroner, accelereras in mot polarområdena längs de magnetiska fältlinjerna. Förr eller senare kolliderar de med en atom eller molekyl som "exciteras" och därefter sänder ut en foton av en viss våglängd. Det är det ljuset vi ser som norrsken.
rymdstoft till jordens atmosfär görs även i samarbete mellan
Alis och den stora Eiscat-radarn.
Eiscat består av tre radaranläggningar; en i Tromsö i Norge som
omfattar både sän-dare och mottagare, en mottagare i Sodan-kylä i
Finland samt mottagaren i Kiruna. Radaranläggningen arbetar inom
vhf och uhf bandet. Sändaren har en maximal teo-retisk effekt på 2
MW. Fördelen med tre mottagare är att man kan bestämma
rymd-plasmats rörelser i jonosfären i tre dimensi-oner, så på det
sättet är Eiscats anläggning världsunik.
Uppträder i cyklerDet har varit många norrskenskvällar under den
senaste tiden eftersom solens aktiviteter närmar sig maximum.
Solfläcksaktiviteter med kraftiga eruptioner och solvindar som
slungar ut laddade partiklar mot Jorden uppträder i cykler.
En solcykel är den tidsperiod som går mel-lan ett tillfälle då
antalet solfläckar når sitt max-imum och nästa gång det inträffar.
Det brukar var cirka elva år. Antalet solfläckar varierar kraf-tigt
inom en och samma cykel.
Stora mängder av mycket intressanta data har man nyligen kunna
samlat in med hjälp av
-
Automation # 2:2014 25
Institutet för rymdfysik,
IRFInstitutet för rymdfysik, irf, är ett statligt forskningsinstitut med ca 100 anställda. irf bedriver grundforskning och fors-karutbildning i rymdfysik, rymdteknik och atmosfärfysik. Huvudkontoret finns i Kiruna och verksamheten bedrivs även i Umeå, Uppsala och Lund.
Forskningsresultaten från irf bygger på analys av
data från såväl markbaserade som satellitburna mätinstrument, modellering och teoretiska studier. Huvuddelen av forskning-en är grundforskning men det finns även inslag av mer di-rekta tillämpningar. Ett exempel är rymdvädrets inverkan på satelliter och kraftsystem på jorden. Andra exempel är instru-ment för olika typer av rymdrelaterade tillämpningar och avancerade analysmetoder.
irf bedriver sin forskning inom tre huvudområden: atmosfär-fysik rymdfysik och rymdteknik.
Atmosfärfysik fokuserar på dynamiska och kemiska proces-ser i atmosfären vid höga latituder och deras samband med klimatet och klimatförändringar.
Rymdfysik som innefattar främst processer i jordens övre atmosfär och magnetosfär, plasmafysik samt hur solvinden växelverkar med andra himlakroppar men även forskningsfrå-gor som rör solaktivitet, solkoronan och rymdvädereffekter.
Inom
rymdteknik utvecklar irf avancerade mätinstrument för att samla in data för att kunna skapa allmänna fysikaliska modeller för de processer som studeras.
Inom programmet Solär-terrester fysik studerar irf hur
vår närmiljö i rymden fungerar och vilka effekter variationer på solen och i solkoronan har på jorden. Solvinden, joniserad gas från solkoronan, påverkar jorden, speciellt jonosfären och magnetosfären (de joniserade övre luftlagren och det plasmaområde nära jorden som kontrolleras av jordens mag-netfält).
Långsiktiga vetenskapliga
frågeställningar:– Vad är det som gör att solstormar uppkommeroch hur kan man förklara deras styrka?– Hur sker cirkulationen av joner i jordens magnetosfär?– Hur uppkommer olika typer av norrskensstruk-turer?
vetenskapliga mål med
Alis– Norrskenstomografi (rekonstruktion av norrskenet i 3d ).– Studier av norrskenets dynamik och morfologi. – Studier av pulserande 'svart' och diffust norrsken. – Erhållande av karakteristisk energi för partiklarna från spektroskopiska kvoter. – Studier av förhållandet mellan termosfärens neutralvind och norr-skenet. – Studier av förhållandet mellan elektron och proton norrsken. – Optiska emissioner vid aktiva experiment med till exempel jono-sfärsvärmaren i Tromsö.
Alis. Data som kommer att göra det lättare att förstå
grundläggande fysikaliska processer i jo-nosfären. Till exempel när
det gäller förståelse av det diffusa norrskenet, som förmodligen
do-minerar vid energiinflödet till jonosfären. Den troligtvis
viktigaste observationen med Alis gjordes i oktober 2012 samt flera
gånger under 2013. Oväntade artificiella ljusfenomen obser-verades
under en så kallad jonosfärsvärmnings-kampanj i samarbete med bland
annat Eiscat samt ryska och finska forskare. Vissa av
ljusfe-nomenen var dessutom ovanligt kraftiga.
Jonosfären används som labbVid dessa experiment använder man en
mycket kraftig radiosändare inom kortvågsbandet (Eis-cat Heating
facility i Tromsö) för att "värma" upp en liten bit av jonosfären.
Effekterna av denna uppvärmning kan studeras med Eiscats
radar-anläggningar samt optiskt med Alis. Därmed kan man använda
jonosfären som plasmafysik-laboratorium och genomföra olika
experiment.
Dagmar Zitkova Parabolen i Kiruna är 32 meter i diameter.
Strål-ningsut-
brott på solen kan störa radiokommuni-kationer. Högener-getiska
partiklar kan slå ut eller till och med förstöra satel-liter och
störningar i jordens magnetfält leder till geomagne-tiskt
inducerade strömmar som hotar vår elförsörjning".
FOTO
: DAG
MA
R Z
ITKO
VA